¿Qué es eso? - Carmenes

¿Qué es eso?
Exoplanetas y exotierrras
Nuestro Sistema Soalr tiene ocho planetas. Los cuatro
interiores son planetas “terrestres” o telúricos: Mecurio (y su
superficie idéntica a la de la Luna), Venus (y su tremendo
efecto invernadero), la Tierra (y sus seres vivos) y Marte (y sus
volcanes y cañones), mientras que los cuatro exteriores son
planetas “gigantes gaseosos” o jovianos: Júpiter (y su Gran
Mancha Roja), Saturno (y sus anillos) y los gemelos helados
Urano y Neptuno (y sus aburridas atmósferas).
Otros planetas (o, mejor, exoplanetas) también orbitan otros
soles. Desde 1995, el año en que se descubrieron el primer
exoplaneta alrededor de una estrella como nuestro Sol y las primeras enanas marrones,
se han descubierto ya más de 500 exoplanetas (véase el catálogo más actualizado en la
Enciclopedia de los Planetas Extrasolares). Sin embargo, la mayoría de ellos son planetas
jovianos inhóspitos, tienen temperaturas tan altas como las de las estrellas más frías, u
orbitan muy cerca de sus soles (por lo que sus “años” duran sólo unos pocos días).
Con el desarrollo de nuevas tecnologías para la detección de exoplanetas, especialmente
con el uso de espectroscopia ultraestable para medir variaciones de velocidad radial en
estrellas producidas por cuerpos que orbitan alrededor de ellas, la masa mínima de los
exoplanetas descubiertos recientemente es cada vez más pequeña. Sin embargo, a pesar
del esfuerzo de los astrónomos, aún no hemos podido detectar la primera exotierra: un
exoplanetas con más o menos la misma masa que la Tierra (M ~ 0.5-2.0 Mtierra).
Se entiende como planeta habitable aquel que puede albergar
agua líquida (y, quizá, vida) en su superficie. Aún tendremos
que esperar alrededor de una década para detectar una
exotierra en la zona habitable de una estrella de tipo solar
(quizá con la misión espacial PLATO de la Agencia Espacial
Europea o con ESPRESSO, un futuro instrumento del
telescopio VLT). Por el contrario, de acuerdo con la ecuación
de equilibrio radiativo, las exotierras en las zonas habitables de
estrellas muy frías y de baja masa deben orbitar mucho más
cerca y producir una variación de velocidad radial en su
estrella que podría ser medida con tecnología actual.
Enanas M y espectrógrafos infrarrojos
Las estrellas de baja masa son las más abundantes del universo. Son relativamente frías
(tienen temperaturas de entre ~4000 y ~2200 K) y débiles a las longitudes de onda
visibles, y tienen tipos espectrales M y masas de menos de 0.6 Msol. Las exotierras
habitables en órbita de estrellas enanas M deberían producir una variación de velocidad
radial de la misma amplitud que la provocada por exojupíteres alrededor de estrellas más
calientes de tipo solar, que son mucho más brillantes en la parte visible del espectro. A
pesar de ello, los espectrógrafos visibles como HARPS o HIRES no están optimizados
para observar estrellas de baja masa. Debido a sus bajas temperaturas efectivas, la
luminosidad de las enanas M es baja, pero también tienen “colores rojos”: mientras que el
Sol emite el máximo de su energía hacia el verde-amarillo, en 550 nm, las enanas M lo
hacen en el infrarrojo cercano, a λ > 900 nm. Por tanto, un espectrógrafo ultraestableque
operara en el infrarrojo cercano sería una de las herramientas más adecuadas, si no la
que más, para detectar la primera exotierra habitable.
La ExoPlanet Task Force recomendó el desarrollo de espectrógrafos infrarrojos para
investigar las características de los planetas en zonas habitables alrededor de estrellas M
brillantes y cercanas antes de 2013: “Los espectrógrafos infrarrojos son potencialmente la
mejor manera de encontrar planetas de masas terrestres en las zonas habitables de
estrellas de secuencia principal más tardía que M [...]; la espectroscopia óptica ya es
competitiva para tipos espectrales más tempranos. Para ello, es necesario el desarrollo de
espectrógrafos infrarrojos con una precisión de 1 m/s para búsquedas de velocidad radial
de enanas M tardías”.
El observatorio de Calar Alto y el telescopio de 3.5 m
El observatorio astronómico hispano-alemán de Calar Alto
(2168 m) está situado en la Sierra de Los Filabres, al norte de
Almería. El centro está operado conjuntamente por el MaxPlanck-Institut für Astronomie (MPIA-MPG) de Heidelberg,
Alemania, y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)
de Granada. Calar Alto ofrece tres telescopios reflectores con
aberturas de 1.23 m, 2.2 m y 3.5 m a la comunidad astronómica
internacional.
El telescopio de 3.5 m (1984) es aún el telescopio más grande
de Europa Occidental (a excepción de las Islas Canarias). Se
pueden usar seis instrumentos diferentes, desde cámaras de gran campo en el visible y
en el infrarrojo, a espectrógrafos de resolución intermedia, pasando por una unidad de
campo integral llamada PMAS.
CARMENES: el consorcio
En 2008 hubo una competición tras un llamamiento, por el
Centro Astronómico Hispano-Alemán, para construir un
instrumento de próxima generación en el telescopio 3.5 m de
Calar Alto. CARMENES fue uno de los dos instrumentos
seleccionados para un estudio de diseño conceptual (Fase A)
financiado por la Max-Planck-Gesellschaft alemana y el
Consejo Superior de Investigaciones Científicas. El otro era un
espectrógrafo de gran “multiplexado” que no siguió
desarrollándose.
El Consorcio CARMENES fue creado oficialmente a principios de 2009 con el objetivo de
diseñar, construir, integrar y operar el instrumento del mismo nombre. El Consorcio está
formado en la actualidad por diez centros de investigación y universidades en España y
Alemania, en colaboración con el observatorio astronómico de Calar Alto. A día de hoy,
somos más de 80 científicos en ingenieros en el Consorcio.
CARMENES: el instrumento
CARMENES estará optimizado para la búsqueda de planetas
alrededor de estrellas de muy baja masa. Con una estabilidad
del orden de 1 m/s en el infrarrojo cercano y monitorización
simultánea de indicadores de actividad en el visible, se podrán
detectar exotierras en las zonas habitables de las estrellas M
investigadas, algunos de los cuales podrán también ser
transitantes. El instrumento estará bien preparado para ser
operado en Calar Alto en modo “gran experimento”. Además, se
podrán realizar pequeñas campañas astrosismológicas para
refinar los parámetros astrofísicos de las estrellas con
exoplanetas.
Las velocidades radiales de las estrellas se monitorizarán con un espectrógrafo échelle de
dos canales alimentado por fibras que proporcionará casi toda la cobertura en sus
intervalos de longitud de onda en una sola exposición (véase la tabla debajo). El canal
infrarrojo cubrirá las bandas Y, J y H desde 950 hasta 1700 nm (con especial énfasis en el
rango 950-1350 nm) y tendrá una resolción R ~ 85,000. Con una eficiencia total > 5%,
esperamos llegar a cocientes de señal-ruido de 150 en 950 s de exposición en estrellas
de J = 9 mag. El canal visible, que cubrirá el rango espectral entre 530 y 1050 nm,
monitorizará simultáneamente los indicadores de actividad (p.e., Hα, Ca II). Los dos
canales del espectrógrafos tienen diseños de “pupila blanca” montados sobre bancos
ópticos ultraestables.
VIS
NIR
530-1050 nm
950-1700 nm
80,000
85,000
1.50 arcsec
1.65 arcsec
Red de difracción
2 x R4 (31.6 mm-1)
2 x R4 (31.6 mm-1)
Dispersor cruzado
grisma
grisma
e2v 42-82 (4k x 2k)
2 x Hawaii-2RG (4k x 2k)

R=
Tamaño de fibra
Detector
Otros componentes principales de CARMENES son su nueva plataforma de entrada
(“front-end”) en el foco Cassegrain compatible con el instrumento PMAS, actualmente en
operación, su alimentación por fibras con batidor de imagen (“image scrambler”), su
unidad de calibración capaz de inyectar luz de lámparas halógenas y de emisión (ThAr) o
de dispositivos de ondas (“wavemeters”) de Fabry-Pérot, su sistema de enfriamiento
estabilizado y tanques de vacío para los dos canales del espectrógrafo (T 0.01 K), y su
avanzado sistema de control computerizado del instrumento.
Existen varios espectrógrafos comparables, tanto en operación como en desarrollo. Sin
embargo, CARMENES tiene una serie de ventajas que le hacen un instrumento único:
• Observaciones simultáneas en el infrarrojo cercano y en el visible (para discriminar
entre exoplanetas y actividad estelar).
• Alta resolución y ancha cobertura espectrales a la vez.
• Dedicación exclusiva a la búsqueda de exoplanetas alredor de enanas M mediante
velocidad radial de alta precisión.
• Tiempo garantizado extenso para la terminación del proyecto (>600 noches útiles
durante cinco años).
• Elusión de problemas con criogenia (énfasis en las bandas del óptico rojo e YJ).
• Primera luz temprana (finales de 2013-principios de 2014).
Nombre y logo
CARMENES es el acrónimo de Calar Alto high-Resolution
search for M dwarfs with Exo-earhts with Near-infrared and
optical Échelle Spectrographs. Cármenes (con tilde en la a)
es también el plural de Carmen, que es un nombre de mujer
típico en España que también se usa en Alemania. Un carmen
es, además, una casa ajardinada con huerto, típica de la ciudad
de Granada, y Carmen es el nombre de un asteroide
descubierto desde Heidelberg por M. F. Wolf (558 Carmen,
1905 QB) y el de una óperas francesa de Gerorges Bizet
basada en una novela de Prosper Mérimée con el mismo título.
Cármenes, en plural, es una pequeña localidad (397
habitantes) en la provincia de León.
El nombre CARMENES fue elegido democráticamente por los miembros del consorcio.
Otros nombres que consideramos fueron, por ejemplo, HRS (High-Resolution
Spectrograph), ICARVS (International Calar Alto Radial Velocity Spectrograph), CAIROS
(Calar Alto Infra-Red and Optical Spectrograph) o CAPERUSITA.
El logo de CARMENES (al principio de este documento) es una versión minimalista del
famoso logo “Turrismo español” de Joan Miró con la palabra carmenes escrita en fuente
Bauhaus (Herbert Bayer 1925). Con un poco de imaginación, el logo puede representar
un pequeño planeta negro alrededor de una estrella roja. El resto de figuras que ilustran
este documento son versiones minimalistas al estilo Bauhaus de pinturas famosas de
Miró.
José A. Caballero y el
Consorcio CARMENES
carmenes.caha.es